 Advance in Microbiology 微生物前沿, 2013, 2, 11-15 http://dx.doi.org/10.12677/amb.2013.21003 Published Online March 2013 (http://www.hanspub.org/journal/amb.html) Fe/C Micro Electrolysis Improve Percolate Biodegradability Yanwen Jin, Xiuhui Zhu, Wanru Xuan School of Chemical Engineering, University of Science and Technology Liaoning, Anshan Email: hnjinyanwen@126.com Received: Jan. 20th, 2013; revised: Feb. 22nd, 2013; accepted: Mar. 1st, 2013 Abstract: Fe/C micro electrolysis is an advanced oxidation technology based on the principle of metal corrosion landfill leachate , through the iron should be reacted with Cu, C, N material in the leachate, oxidation-reduction reaction, and form the flocculating substance isolated from landfill leachate. Studying on improving landfill leachate biodegradability of the anaerobic effluent by Fe/C micro electrolytic, controlling the reaction under acidic conditions, the pH is about 5.0, the Fe/C ratio (mass ratio) is 1:1, the reaction time is 60 min, BOD5/CODCr (B/C) can reach 0.3 to 0.4 at last. Fe/C micro electrolysis deal with Landfill Leachate, its B/C reaches 0.365, the average net increases 0.292, its biodegradability can be greatly enhanced and it is conducive to the conduct of the subsequent biological treatment. Keywords: Fe/C Micro Electrolysis; Landfill Leachate; Biodegradability Fe/C 微电解法提高垃圾渗滤液的可生化性 靳艳文，朱秀慧，玄婉茹 辽宁科技大学，鞍山 Email: hnjinyanwen@126.com 收稿日期：2013 年1月20日；修回日期：2013 年2月22日；录用日期：2013年3月1日 摘 要：Fe/C 微电解法是以金属腐蚀的原理处理垃圾渗滤液的一种高级氧化技术，通过铁屑在渗滤液中同 Cu、 C、N等物质发生发应，产生氧化还原反应，形成絮凝物质从渗滤液中分离。在厌氧出水经 Fe/C 微电解进一步 提高垃圾渗滤液可生化性的研究中，控制反应在酸性条件下进行，pH 调节在 5.0 左右，Fe/C 比(质量比)为1:1， 调节搅拌转数为 150 r/min，反应时间为 60 min，出水的 BOD5/CODCr(B/C)可达到 0.3~0.4。Fe/C 微电解法处理 垃圾渗滤液，其 B/C 平均提高到 0.365，平均净提高0.292，可生化性大大增强，有利于后续生物处理的进行。 关键词：Fe/C 微电解；圾渗滤液；可生化性 1. 引言 随着我国城市人口的逐渐增加、城市规模的逐渐 扩大及城市居民生活水平的改善，城市生活生产的垃 圾数量也在逐渐增加，垃圾卫生填埋处理技术因为投 资建设省、运行费用低获得了广泛的应用，这也是我 国处理垃圾的主要方法。运用填埋法来处理城市生活 垃圾会产生大量的污染物和持续时间较长、水质变化 大、高浓度、流量不均匀的废水(渗滤液)，这些渗滤 液会带来严重的二次污染[1]。垃圾渗滤液的水质具有 可生化性差、氨氮含量高、高浓度的有机物、大量的 有毒有害污染物质和成分复杂等特点[2,3]，因此，提高 垃圾渗滤液的可生化性的研究成为控制垃圾渗滤液 的二次污染、保护环境的重要课题。 垃圾渗滤液可用生物法、化学絮凝、炭吸附、膜 过滤、脂吸附、气提和微电解等方法单独处理和联合 处理[4-8]，而其中生物法和微电解法因其费用低和效果 高而得到最广泛的应用。Fe/C 微电解法是以金属腐蚀 的原理处理垃圾渗滤液的一种高级氧化技术，通过铁 Copyright © 2013 Hanspub 11  Fe/C 微电解法提高垃圾渗滤液的可生化性 屑在渗滤液中同 Cu、C、N等物质发生发应，产生氧 化还原反应，形成絮凝物质从渗滤液中分离。这种方 法操作简单，经济适用强，处理效果好[9]。 2. 实验材料与方法 2.1. 渗滤液来源和水质 本实验是以鞍山市羊耳峪垃圾卫生填埋场渗滤 液为研究对象，在厌氧活性污泥培养三个月的基础 上，用铁碳微电解工艺来提高垃圾渗滤液的可生化 性。其实验水质如表 1下。 2.2. 实验装置 铁炭微电解实验装置如图1如示。 2.3. 实验方法 垃圾渗滤液在用厌氧活性污泥培养三个月后，垃 圾渗滤液中的 CODCr 和NH3-N 去除率在 60%左右， 且比较稳定。实验前，对废铁刨花和活性炭先做预处 理，用稀硫酸浸泡废铁刨花 20 min以上，然后反复用 清水冲洗，以洗去废铁刨花上的铁锈达到活化的目 的；活性炭用水样浸 24 h后烘干备用。取一定体积的 实验水样，加人 500 ml烧杯内，将活化后的废铁刨花 与活性炭以一定的质量比混合倒入烧杯中，调节 pH， Table 1. Experimental water quality 表1. 实验用水水质指标 项目 CODCr (mg/L) NH3-N (mg/L) BOD5 (mg/L) pH B/C 原垃圾水 1780.5 1222.8 130 7.8 0.073 厌氧出水 387.8 124.7 86.9 7.8 0.224 搅拌电机 微电解槽 调速器 Figure 1. Fe/C micro electrolysis experiment setup 图1. Fe/C微电解实验装置 再用搅拌机以 150 r/min的转速进行搅拌，搅拌控制在 一定时间内。停止搅拌后，使其自然沉降，沉淀一段 时间后取上清液测定水样的CODCr，再用稀释接种法 测定水样的 BOD5，并计算其 B/C。 2.4. 分析方法 本实验分析方法均采用国家环保总局发布的标 准方法[10]：CODCr：重铬酸钾法；NH3-N：酸碱滴定 法；pH：玻璃电极法；BOD5：稀释接种法。 3. 结果与讨论 3.1. 可生化性测试 厌氧活性污泥培养垃圾废水三个月，渗滤液 CODCr 为387.8 mg/L，BOD5为86.9 mg/L，B/C 为 0.224，小于 0.3，可见该垃圾渗滤液的可生化性比较 差。因此对渗滤液的处理不能像生化污水处理那样仅 仅进行生物处理，还能确定其可生化性差、难降解的 原因并不能采取合理措施提高其可生化性。 影响 Fe/C 微电解提高垃圾渗滤液可生化性的因 素很多，如反应时间、反应的初始 pH 值和铁炭比等。 下面就对微电解法提高可生化性的影响因素进行分 析。 3.2. 反应时间 取6个500 ml烧杯，每个烧杯加入 300 ml厌氧 出水样(水温约 40℃)，CODCr 为387.8 mg/L，保持原 水的 pH 值不进行调节，向每个烧杯中分别加入 9 g 铁屑和 3 g炭粉，铁炭比为 3:1。将烧杯置于搅拌器上 进行搅拌，调节搅拌转数为 150 r/min，控制反应时间 分别为 40 min，60 min，80 m in，100 min，120 min， 140 min，取下烧杯静置沉降。取沉降后的上清液测定 水样的 CODCr 和BOD5，并计算其 B/C。实验结果见 表2。 如图 2可以看出，在其它条件一定时，CODCr 的 去除率随着搅拌器搅拌的反应时间增加而增加，在 100 min的时 CODCr 去除率达到最高，之后略有上升 趋势，而 B/C随着其反应时间的增加而先升高后降低， 且变化幅度较大，B/C 在60min 时达到最大值 0.384。 但从提高垃圾渗滤液废水可生化性的角度考虑，最佳 反应时间为 60 min。 Copyright © 2013 Hanspub 12  Fe/C 微电解法提高垃圾渗滤液的可生化性 Table 2. The B/C of different reaction time values 表2. 不同反应时间下的 B/C 反应时间 (min) CODCr (mg/L) CODCr 去除率(%) BOD5 (mg/L) B/C 40 356.0 9.4 75.1 0.211 60 341.8 13.0 136.7 0.384 80 328.9 16.3 87.2 0.265 100 311.0 20.8 40.2 0.129 120 332.4 15.4 35.2 0.106 140 350.3 10.8 20.7 0.059 Figure 2. The effect of reaction time on the micro-electrolytic 图2. 不同反应时间对微电解效果的影响 3.3. pH 取6个500 ml烧杯，每个烧杯中加入 300 ml厌 氧出水样(水温约 40℃)，CODCr 为302.4 mg/L，分别 调节水样 pH 值为 4.0，5.0，6.0，7.0，8.0，9.0。向 每个烧杯中加入 9 g铁屑和 3 g炭粉，铁炭比为 3:1， 将烧杯置于搅拌器上搅拌，调节搅拌转数均为 150 r/min，60 min后停止搅拌，取下烧杯静置沉降。取沉 降后的上清液测定 CODCr 和BOD5，并计算 B/C。实 验结果见表 3。 如图 3可以看出，在其它条件一定时，在 pH 值 为5.0 的B/C达到最大值，即pH 值为 8.0 时垃圾渗滤 液的可生化性较好。通常情况下 pH 越低，铁炭原电 池电极电位差越大，电极反应越容易进行，随着 Fe 不断生成，能有效克服阳极的极化作用，促进铁的电 化学腐蚀[11]；阴极产生的大量中间态活性氢([H])具有 强还原作用，使垃圾渗滤液中的有机物发生断链、开 环等作用，而且反应产生的新生态 Fe 对有机物也有 还原作用，增强了氧化还原、絮凝和吸附等作用，从 而提高了有机物去除效果。在非酸性下，电解生成的 Table 3. The B/C of differ ent pH values 表3. 不同 pH值下的B/C pH CODCr (mg/L) CODCr 去除率(%) BOD5 (mg/L) B/C 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 187.6 203.2 227.6 227.6 243.8 259.0 37.9 32.8 24.7 24.7 19.4 14.3 28.5 41.1 19.8 14.5 29.0 30.3 0.152 0.202 0.087 0.064 0.119 0.117 Figure 3. The effect of different pH value on the micro electrolysis 图3. 不同 pH值对微电解效果的影响 氢氧化亚铁具有絮凝作用，易形成絮凝物造成堵塞。 在酸性条件下不存在堵塞的问题，但铁屑在酸性条件 下会因腐蚀而增加损耗，导致运行费用的增加。理论 上来说铁在任何条件下都有可能发生腐蚀，但腐蚀速 度受 pH 值的影响。pH值为 2.0~4.0 时铁的腐蚀速度 最大，pH 值为5.0~9.0 时腐蚀速度比较稳定，pH 值 在9.0 以上时腐蚀速度逐渐下降，随着 pH 值的继续 上升，腐蚀速度又会上升。从现有的数据分析，其效 果与经济性最佳 pH 值为5.0~6.5。但从提高垃圾渗滤 液废水的可生化性和经济性角度考虑，最佳 pH 值为 5.0。 3.4. 铁炭比 取5个500 ml烧杯，每个烧杯加入 300 ml厌氧 出水样(水温约 40℃)，CODCr 为412.7 mg/L，保持原 水样的 pH 值不变。向烧杯分别加入铁屑和活性炭(3 g)，控制铁炭比为 0.5:1，1:1，2:1，3:1，4:1，将烧杯 置于搅拌器上，调节搅拌转数为 150 r/min，60 min后 停止搅拌，静置一段时间后取上清液测定测定 CODCr 和BOD5，并计算 B/C。实验结果见表 4。 如图 4可以看出，在其它条件一定时，当铁屑投 加量固定，改变铁炭比时(即改变炭粉投加量)，随炭 粉加入量的增加，CODCr 的去除率呈线性缓慢下降； Copyright © 2013 Hanspub 13  Fe/C 微电解法提高垃圾渗滤液的可生化性 Table 4. The B/C of different Fe/C values 表4. 不同 Fe/C下的B/C Fe/C CODCr (mg/L) CODCr 去除率(%) BOD5 (mg/L) B/C 0.5:1 276.9 32.9 18.0 0.065 1:1 277.3 32.8 22.2 0.080 2:1 285.2 30.9 7.7 0.027 3:1 259.6 37.1 6.7 0.026 4:1 265.4 35.7 5.8 0.022 Figure 4. The effect of different Fe/C on the micro-electrolytic 图4. 不同 Fe/C铁碳微电解效果的影响 B/C 随着铁炭比的增加先增大后减小，在铁炭比达到 2:1 后呈稳定趋势。随着铁炭比的增加，反应体系内 微原电池数量逐渐增多，之后铁炭比再增加，体系内 微原电池数量又逐渐减少，降解能力也随之降低。从 实际应用数据可知，铁炭微电解池的铁炭比控制在 1:1~2:1，其经济性和性能最好，铁炭的损耗在反应时 应适当补充。但从提高垃圾渗滤液废水的可生化性和 经济性角度考虑，，最佳的铁炭质量比为 1:1。 3.5. 运行实验 Fe/C 微电解反应器运行稳定后，取 5个500 ml 烧杯，每个烧杯加入 300 ml厌氧出水样(水温约 40℃)， CODCr 为401.3 mg/L，保持原水样的 pH 值为 5.0左右， 向每个烧杯中加入3 g铁屑和 3 g炭粉，铁炭比为 1:1， 将烧杯置于搅拌器上，调节搅拌转数为 150 r/min，保 持反应时间 60 min，，连续取样分析铁炭微电解出水 水质，静置一段时间后取上清液测定测定CODCr和 BOD5，并计算 B/C。实验数据如表 5。 对表 5中的数据进行处理，绘制最佳条件下铁炭 微电解反应器 B/C 情况的折线图(见图 5)。 Table 5. During operation data Fe/C micro electrolysis reactor 表5. 铁炭微电解反应器运行期间数据 测定 次序 CODCr (mg/L) CODCr 去除率(%) BOD5 (mg/L) B/C 1 248.5 61.9 88.5 0.356 2 279.5 69.6 100.6 0.360 3 198.4 49.4 72.6 0.366 4 229.0 57.1 82.2 0.359 5 203.2 50.6 73.4 0.361 Figure 5. The continuous operation of the Fe/C micro electrolysis reactor under optimal conditions 图5. 最佳条件下铁炭微电解反应器连续运行情况 由图 5可以看出，在最佳反应条件下，垃圾渗滤 液经 Fe/C微电解处理后B/C 值有大幅度的提高。同 时在在 pH 值适合的条件下将产生 Fe(OH)2、Fe(OH)3 等性能良好的絮凝剂，这些絮凝剂对于废水中的不溶 性悬浮物有良好的沉淀效果，达到净化废水的目的。 4. 结论 目前，垃圾渗滤液的处理多采用生物处理的工 艺，合适的处理工艺可有效地去除 CODCr 和NH3-N 等污染物质，提高渗滤液的可生化性，使后续好氧出 水达到新标准的排放要求同时降低处理费用。利用 Fe/C 微电解法对垃圾渗滤液的可生化性进行了处理， 得到以下几点结论： 1) Fe/C微电解提高垃圾渗滤液可生化性的最佳 条件为：pH 值为 5.0，铁炭比为 1:1，调节搅拌转数 为150 r/min，反应时间为 40 min。另搅拌强度、微电 解材料的活化、微电解材料种类、铁炭粒径以及水质 情况对铁炭微电解的效果都有一定的影响； 2) 在切实可行的最佳因素条件下，经铁炭微电解 Copyright © 2013 Hanspub 14  Fe/C 微电解法提高垃圾渗滤液的可生化性 Copyright © 2013 Hanspub 15 反应处理后的渗滤液 CODCr 去除率可达 30%，B/C 也 从0.25 左右提高到 0.35 以上。 3) 微电解工艺占地面积小，运行费用低，能有效 提高难降解废水的可生化性，而且利用废铁刨花可以 达到以废治废的目的。 参考文献 (References) [1] 梧海军. 化学法在处理垃圾渗滤液中的应用[J]. 技术研发, 2012, 19(4): 62-63. [2] 夏素兰, 周勇, 曹丽淑等. 垃圾渗滤液氨氮吹脱研究[J]. 环 境科学与术, 2000, 3: 26-29. [3] 尚爱安, 徐美燕, 孙贤波等. 物化生化组合工艺处理垃圾渗 滤液[J]. 华东理工大学学报(自然科学版), 2005, 31(6): 756-759. [4] X. Liu, X. M. Li, Q. Yang, et al. 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